1

Ευχαριστίες

Αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω τον Καθηγητή µου, για τις όποιες

λεπτοµέρειες και στοιχεία µου παρείχαν για την εργασία µου καθώς και τον

τρόπο που καθοδήγησαν τις σκέψεις µου στην ανάλυση των συγκεκριµένων

στοιχείων.

2

Πρόλογος

Βασικός σκοπός της εν λόγω πτυχιακής εργασίας, αναφέρεται σχετικά

η συλλογή, παρουσίαση και ανάλυση στοιχείων που οριοθετούνται στο

πλαίσιο της συγκριτικής µελέης υπερσυµπιεστών (Compresor Turbo) για την

αύξηση της απόδοσης µιας ΜΕΚ σε Πλοία.

Έτσι λοιπόν και προκειµένου η εν λόγω εργασία να θεωρείται ορθή και

αντιπροσωπευτική ως προς τα στοιχεία που εξετάζει, διαχωρίζεται σχετικά σε

δύο (2) βασικά κεφάλαια, όπου στο µεν πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται και

αναλύονται τα Είδη Μηχανών Πλοίων και Λειτουργία Υπερσυµπιεστών

(Compressor Turbo) µε Σκοπό την Βέλτιστη Συµπεριφορά των Πλοίων και στο

δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται οι Παράγοντες που Επηρεάζουν την Λειτουργία

των Πλοίων µε τη Χρήση Υπερσυµπιεστών Καθώς και Πλεονεκτήµατα –

Μειονεκτήµατα Αυτών.

Abstract:

This final year project refers to the collection and presentation of data relative

to the study of super charging methods that aim to increase the efficiency of

internal combustion engine of ships.

The project is divided into two main sections.

The first one deals with the different types of ship engines and their

operation.The aim is to get the best performance of the ship.

In the second on the parameters that influence the operation of ship engines

having already a super charging system fitted to them, are analysed.

Advantages and disadvantages related to such a configuration are drawn.

3

Εισαγωγή

Τα πλοία όπως και τα αυτοκίνητα σύγχρονης τεχνολογίας,

χρησιµοποιούν 2 ειδών υπερσυµπιεστές, τους υπερσυµπιεστές καυσαερίων

(turbo) και τους µηχανικούς υπερσυµπιεστές (compressor, supercharger)

(Woodyard, 1995). Το Turbo ή υπερσυµπιεστής καυσαερίων, αποτελείται από

δύο φτερωτές, συνδεδεµένες µεταξύ τους µε έναν άξονα. Η πρώτη φτερωτή

γυρίζει από τα καυσαέρια, µεταδίδοντας την κίνηση στην άλλη φτερωτή, η

οποία συµπιέζει τον αέρα και στέλνει µεγαλύτερες ποσότητες αέρα στην

εισαγωγή του κινητήρα.

Η συµπίεση του αέρα, αυξάνει την θερµοκρασία του. Έτσι πριν ο αέρας

φτάσει στην εισαγωγή του κινητήρα, περνάει από το intercooler (εναλλάκτης

θερµότητας),το οποίο είναι στην ουσία ένα ψυγείο και ψύχεται. Έτσι µε την

µεγαλύτερη µάζα αέρα (περισσότερο οξυγόνο), γίνεται καλύτερη καύση

αυξάνεται η πίεση και σε συνδυασµό µε την παροχή µεγαλύτερης ποσότητας

καυσίµου, ο κινητήρας παράγει περισσότερη δύναµη και ροπή, διαθέσιµη σε

χαµηλότερες στροφές απ' ότι σ' ένα ατµοσφαιρικό κινητήρα.

Όταν η µηχανή των πλοίων, φτάσει την πίεση για την οποία είναι

προορισµένος, τα επιπλέον καυσαέρια που παράγονται, παρακάµπτουν το

turbo µέσω της βαλβίδας διαφυγής (wastegate). Ο αέρας που µένει µέσα στο

turbo εκτονώνεται στο περιβάλλον µέσω της βαλβίδας εκτόνωσης (Alderton,

Winchester, 2002). Λόγω της πολύ µεγαλύτερης ροπής και δύναµης, η

µηχανή πλοίων περιστρέφεται σε πολύ λιγότερες στροφές µε αποτέλεσµα να

καταναλώνει λιγότερο καύσιµο απ' ότι ένας αντίστοιχος ατµοσφαιρικός

κινητήρας. Βέβαια σε περιπτώσεις µεγάλης πίεσης, καταναλώνει περισσότερο

καύσιµο.

Τα υπερτροφοδοτούµενα πλοία σε σχέση µε τα ατµοσφαιρικά,

χρειάζονται διαφορετική αντιµετώπιση. Στην εκκίνηση της µηχανής χρειάζεται

εγκράτεια µέχρι το turbo και ο κινητήρας να αποκτήσουν την ιδανική

4

θερµοκρασία λαδιού. ∆εν πρέπει να πιέζουµε τον κινητήρα µέχρι να ζεσταθεί.

Το turbo εφευρέθηκε το 1905 από τον Ελβετό Alfred Büchi. Στην αρχή

τοποθετούνταν σε πλοία, τρένα και αεροπλάνα. Το πρώτο turbo αυτοκίνητο

ήταν το Oldsmobile της General motors το 1962. Το πρώτο sport αυτοκίνητο

µε turbo ήταν το 911 Turbo που παρουσίασε η PORSCHE το 1974. Τα πρώτα

αυτοκίνητα τα οποία χρησιµοποίησαν turbo µε diesel κινητήρες ήταν τα

Mercedes 300SD και Peugeot 604 τα οποία παρουσιάστηκαν το 1978.

Στα πλοία δε, ο µηχανικός υπερσυµπιεστής, κάνει την ίδια δουλειά µε

το turbo, µε εντελώς διαφορετικό τρόπο. Έχει άµεση απόκριση αλλά και

µεγαλύτερες φθορές, κατανάλωση και απώλειες από το turbo.

5

1. Κεφάλαιο Πρώτο – Είδη Μηχανών Πλοίων και Λειτουργία

Υπερσυµπιεστών (Compressor Turbo) µε Σκοπό την Βέλτιστη

Συµπεριφορά των Πλοίων

1.1 Τύποι Μηχανών Πλοίων

Γενικά Μηχανή ή µηχάνηµα ονοµάζεται οποιοδήποτε εργαλείο ή µέσον

που µπορεί να διευκολύνει την ανθρώπινη εργασία ή που µπορεί να αυξήσει

τη δύναµή της. Επίσης οποιαδήποτε συσκευή που χρησιµοποιείται για τη

παραγωγή έργου, είτε µεταδίδοντας είτε µετατρέποντας άλλη µορφή ενέργειας

(δύναµης) σε παραγωγή έργου. Ακόµη µπορεί να εννοείται και κάθε ευφυής

επινόηση (Woodyard, 1995).

Κατά τη µηχανολογία, ως µηχανή νοείται ένα σύνολο µηχανικών µερών

και µηχανισµών ικανών να µετατρέψουν µια ενέργεια τροφοδότησης σε µία

διαφορετικού ή ίδιου τύπου αλλά µε διαφορετικές παραµέτρους τελική

ενέργεια, προκειµένου να την χορηγήσουν σε άλλες µηχανές ή να την

χρησιµοποιήσουν άµεσα για να πραγµατοποιήσουν συγκεκριµένες

διαδικασίες παραγωγής έργου. Γενικά οι µηχανές πλοίων διαιρούνται σε

(Φραγκόπουλος, 2005):

Μηχανές κίνησης ή κινητήριες µηχανές: που παράγουν µηχανικό

έργο.

Μηχανές ενεργειακές: που απορροφούν µηχανική ενέργεια,

δηλαδή κινούνται από έναν κινητήρα και εκτελούν ένα έργο

επιδρώντας πάνω στην ύλη, µε τρόπο τέτοιο ώστε να αλλάξει η

µορφή ή η θέση ή η ενέργεια (σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι

βιοµηχανικές µηχανές, οι αγροτικές κ.λ.π.) και

Μηχανές µετάδοσης: που µεταδίδουν έναν συγκεκριµένο τύπο

ενέργειας διαφοροποιώντας µόνο τα χαρακτηριστικά της.

6

1.1.1 Κινητήριες Μηχανές

Κινητήρια µηχανή ονοµάζεται γενικά κάθε µηχανή που παράγει

κινητήριο ωφέλιµο µηχανικό έργο. Τέτοιες µηχανές είναι των σιδηροδρόµων,

των πλοίων, των αυτοκινήτων, διαφόρων αντλιών, καθώς και οι µηχανές

γεννητριών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος. Η διάταξη της σύγχρονης

γενικά µηχανής είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνεται τελικά η κίνηση του

λεγόµενου άξονα της µηχανής, από τον οποίο και παραλαµβάνεται το

κινητήριο ή ωφέλιµο έργο (Alderton, Winchester, 2002).

Όλες οι κινητήριες µηχανές κατά την λειτουργία τους παραλαµβάνουν

κατά κανόνα ενέργεια κάποιας µορφής π.χ. θερµική, ηλεκτρική ή υδραυλική

κλπ. και την µετατρέπουν (ορθότερα µέρος αυτής) σε µηχανική ή κινητήριο

έργο. Ανάλογα της µορφής της ενέργειας που παραλαµβάνουν οι κινητήριες

µηχανές πετρελαιοφόρων πλοίων διακρίνονται σε (Alderton, Winchester,

2002):

Θερµικές µηχανές ή θερµοκινητήρες: Στη κατηγορία αυτή

ανήκουν οι ατµοµηχανές, οι ατµοστρόβιλοι, οι αεριοστρόβιλοι, οι

βενζινοκινητήρες ή βενζινοµηχανές, οι αεριοµηχανές, οι

πετρελαιοµηχανές ή κινητήρες Diesel κ.ά.

Υδραυλικοί κινητήρες. Στην κατηγορία αυτή οι µηχανές

καταναλίσκουν υδραυλική ενέργεια.

Ηλεκτρικοί κινητήρες ή ηλεκτροκινητήρες.

Θερµικές µηχανές ή θερµοκινητήρες ονοµάζονται οι µηχανές, οι

οποίες µετατρέπουν την θερµότητα που παράγεται από την

χηµική ενέργεια της καύσης σε µηχανικό έργο.

Ανάλογα µε τον τρόπο πραγµατοποίησης της καύσης εµπορικών

πλοίων, αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες : στις µηχανές εσωτερικής

καύσεως (Μ.Ε.Κ.) και στις µηχανές εξωτερικής καύσεως ή ατµοµηχανές.

Εσωτερικής καύσεως ονοµάζονται οι µηχανές που ως µέσο για την

παραγωγή έργου χρησιµοποιούν τον αέρα και κατά κάποιο τρόπο το ίδιο το

καύσιµο, δηλαδή καυσαέρια π.χ εµβολοφόρος κινητήρας αυτοκινήτου,

αεροστρόβιλος αεροπλάνου (Alderton, Winchester, 2002).

7

Εξωτερικής καύσεως ονοµάζονται οι µηχανές όπου η καύση δεν

λαµβάνει µέρος στο χώρο παραγωγής έργου, αλλά έξω από αυτόν και στις

οποίες το µέσο παραγωγής έργου δεν είναι το καυσαέριο, αλλά κάποιο άλλο

στοιχείο όπως π.χ. νερό. Σε αυτήν την κατηγορία, ανήκουν οι ατµοστρόβιλοι,

οι ατµοµηχανές (Woodyard, 1995).

Ανάλογα µε τον τρόπο µετατροπής της θερµικής ενέργειας σε µηχανικό

έργο, οι θερµικές µηχανές διακρίνονται σε εµβολοφόρους ή παλινδροµικές

(ισχύουν τόσο για τις µηχανές εσωτερικής όσο και για τις εξωτερικής

καύσεως) και σε περιστροφικές ή στροβίλους (στις µηχανές εσωτερικής

καύσης ονοµάζονται αεριοστρόβιλοι και στις εξωτερικής καύσεως

ατµοστρόβιλοι).

Ειδικότερα, όµως στις εµβολοφόρους - παλινδροµικές µηχανές

εσωτερικής καύσης, η έναυση στον κύλινδρο µπορεί να πραγµατοποιηθεί είτε

µε τη βοήθεια εξωτερικού µέσου (π.χ. σπινθήρα), είτε αυτόµατα, λόγω

µεγάλης θέρµανσης του καυσίµου πετρελαιοφόρων πλοίων. Έτσι, στην

πρώτη περίπτωση υπάγονται οι «Κινητήρες Όπο», που διακρίνονται σε

αεριοµηχανές και σε βενζινοµηχανές, και στη δεύτερη οι µηχανές ντήζελ, ή

πετρελαιοµηχανές.

1.1.2 Υδραυλικές Μηχανές

Οι υδραυλικές µηχανές µετατρέπουν την κινητική ενέργεια ενός υγρού

σε κίνηση, κυρίως του νερού σε ενέργεια µηχανική και αντίστροφα. Στην

πρώτη περίπτωση έχουµε τις κινητήριες υδραυλικές µηχανές (υδραυλικές

τουρµπίνες, υδραυλικούς τροχούς, κινητήρες µε στήλη νερού), στη δεύτερη

περίπτωση έχουµε τις ενεργειακές υδραυλικές µηχανές (αντλίες µε πιστόνι,

αντλίες περιστροφής). Ανάµεσα στις υδραυλικές µηχανές µετάδοσης

συγκαταλέγονται οι πρέσες, οι στριφτές και οι υδραυλικοί γρύλοι, µεταξύ των

µετασχηµατιστών οι εγχυτήρες και οι υδραυλικοί δριοί (Alderton, Winchester,

2002).

8

1.1.3 Ηλεκτρικές Μηχανές Πλοίων

Οι ηλεκτρικές µηχανές µετατρέπουν την µηχανική ενέργεια σε

ηλεκτρική (γεννήτριες) ή αντίστροφα (κινητήρες) ή µετατρέπουν την ηλεκτρική

ενέργεια µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά σε ηλεκτρική διαφορετικών

χαρακτηριστικών.

Η αρχή λειτουργίας βασίζεται πάνω στην παραγωγή ηλεκτροκινητικών

δυνάµεων για ηλεκτροµαγνητική επαγωγή. Γι’ αυτό το σκοπό µετατρέπεται

στο ένα µέρος της µηχανής, που ονοµάζεται επαγώγιµο, η µαγνητική ροή που

παράγεται από ένα άλλο µέρος που παίρνει το όνοµα επαγωγέας. Η

µετατροπή της ροής επιτυγχάνεται µέσω µιας περιστροφικής κίνησης µεταξύ

του επαγώγιµου και του επαγωγέα. Το σταθερό τµήµα της µηχανής

ονοµάζεται στάτορας, το κινητό ρότορας. Οι λειτουργίες του επαγώγιµου ή του

επαγωγέα µπορούν να αποδοθούν ανάλογα µε τις περιπτώσεις είτε στον

στάτορα, είτε στον ρότορα ( ).

1.2 Μ.Ε.Κ. – Μηχανές Εσωτερικής Καύσης που Χρησιµοποιούν

Υπερσυµπιεστές

Μια µηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι

ένας κινητήρας στον οποίο η καύση του καυσίµου γίνεται σε ένα θάλαµο

καύσης που βρίσκεται ολόκληρος µέσα στο κινητήρα. Με τον όρο µηχανές

εσωτερικής καύσης συνήθως εννοούνται κυρίως οι παλινδροµικές–

εµβολοφόρες µηχανές και οι κινητήρες Βάνκελ (Wankel). Μια δεύτερη

κατηγορία των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι οι κινητήρες τζετ, κάποιοι

πύραυλοι και ορισµένες τουρµπίνες ώσης και ισχύος που κάνουν χρήση

συνεχούς καύσης (Φραγκόπουλος, 2005).

Σύµφωνα µε ένα γενικό ορισµό, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι

µια θερµική µηχανή, στην οποία καίγεται ένα καύσιµο παρουσία αέρα µέσα σε

ένα θάλαµο (θάλαµος καύσης) και από την εξώθερµη αντίδραση του καυσίµου

µε τον οξειδωτή (θερµική καύση ελεύθερης φλόγας σε αέρια κατάσταση), που

είναι το οξυγόνο του αέρα, δηµιουργώντας θερµά αέρια. Στον κινητήρα

εσωτερικής καύσης είναι πάντα η εκτόνωση της πίεσης των αερίων που

9

παράγονται όπου εφαρµόζουν δύναµη στο κινητό µέρος του κινητήρα, όπως

τα έµβολα ή πτερύγια (Woodyard, 1995).

Η µηχανή εσωτερικής καύσης (ή ΜΕΚ) διαφοροποιείται µε την µηχανή

εξωτερικής καύσης, όπως µε ατµό ή κινητήρα Stirling, στις οποίες η ενέργεια

µεταφέρεται από ένα υγρό το οποίο θερµαίνεται σε ένα λέβητα(ο οποίος

βρίσκεται εκτός του κινητήρα) από ορυκτά καύσιµα ή καύση ξύλου, πυρηνική

ενέργεια, ηλιακή κ.λ.π.

Ένας µεγάλος αριθµός διαφορετικών σχεδίων για τις ΜΕΚ έχουν

αναπτυχθεί και κατασκευαστεί, µε ποικιλία διαφορετικών πλεονεκτηµάτων και

αδυναµιών. Αν και υπήρξαν και εξακολουθούν να είναι πολλές οι στατικές

εφαρµογές, µεγάλη χρήση των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι σε κινητές

εφαρµογές και κυριαρχούν στα αυτοκίνητα, αεροσκάφη και πλοία, από το

µικρότερο έως το µεγαλύτερο. Οι τετράχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης

έχουν 4 φάσεις λειτουργίας («χρόνους») ( ):

Εισαγωγή. Το καύσιµο µείγµα εισέρχεται στο θάλαµο καύσης

από την ανοιχτή βαλβίδα εισαγωγής

Συµπίεση. Το έµβολο κινείται προς το άνω νεκρό σηµείο και

συµπιέζει το καύσιµο µείγµα

Ανάφλεξη. Η ακαριαία αύξηση της θερµοκρασίας, σε συνδυασµό

µε τον ηλεκτρικό σπινθήρα που δίνεται από το µπουζί,

προκαλούν την ανάφλεξη του καύσιµου µείγµατος. Η έναυση

δεν γίνεται στο άνω νεκρό σηµείο αλλά λίγο πιο πριν

(προπορεία ανάφλεξης, «αβάνς»)

Καύση / Εκτόνωση. Το µείγµα καίγεται και εκτονώνεται,

πιέζοντας το έµβολο προς το κάτω νεκρό σηµείο, παράγοντας

ωφέλιµο έργο

Εξαγωγή. Το έµβολο, που λόγω της πίεσης των αερίων της

καύσης έχει φτάσει στο κάτω νεκρό σηµείο, λόγω της αδράνειας

του συστήµατος έµβολο-στροφαλοφόρος-σφόνδυλος, αρχίζει να

κινείται πρός τα επάνω σπρώχνοντας τα αέρια προς την ανοιχτή

βαλβίδα εξαγωγής. Έτσι τα προϊόντα της καύσης εξέρχονται

από το θάλαµο καύσης.

10

Πολλοί κινητήρες επικαλύπτουν αυτά τα βήµατα στο χρόνο, οι

αεριοστροβιλοκινητήρες κάνουν όλα τα βήµατα ταυτόχρονα σε διάφορα µέρη

του κινητήρα, ενώ ορισµένοι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν επιπλέον

βήµατα, ενω άλλοι έχουν µονο δύο χρόνους (δίχρονοι κινητήρες) (Alderton,

Winchester, 2002).

1.3 Οι Τάσεις της Εποχής µας Σχετικά µε τα Συστήµατα Ναυτικών

Μηχανών Προώσεων Πλοίων

Τα πλοία καταναλώνουν µόλις 10% της ενέργειας που καταναλώνουν

τα οχήµατα και 20% της ενέργειας που καταναλώνουν τα τραίνα. Μέσα στις

δύο τελευταίες δεκαετίες η ναυτιλία έχει µειώσει την κατανάλωση ενέργειας της

κατά 30%. Παράλληλα, ενώ µεταφέρει 80% του παγκόσµιου εµπορίου,

παράγει µόνο το 2% των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα παγκοσµίως.

Λιγότερο από 1% παγκοσµίως των διαρροών πετρελαίου οφείλονται στην

επιβατηγό ναυτιλία ενώ τα επιβατηγά-οχηµαταγωγά πλοία προκαλούν τη

χαµηλότερη θαλάσσια ρύπανση από όλα τα είδη πλοίων.

Η κάθε ναυτιλιακή εταιρία προσπαθεί να επιβάλει αυστηρά µέτρα για τη

διασφάλιση της προστασίας του περιβάλλοντος, την ποιότητα του στόλου, και

την παροχή του υψηλότερου επιπέδου παροχής υπηρεσιών στους επιβάτες

από την αρχή της δραστηριότητάς της. Στόχος της κάθε εταιρίας είναι να

διατηρήσει τον ηγετικό της ρόλο στον κλάδο, και θα συνεχίσει να αναπτύσσει

και να υιοθετεί µέτρα που θα διασφαλίζουν την παροχή της καλύτερης δυνατής

ποιότητας υπηρεσιών προς τους επιβάτες.

Η ανάπτυξη µίας εταιρικής πολιτικής εναρµονισµένης µε τους

περιβαλλοντολογικούς κανόνες τόσο για τα γραφεία όσο και για τα πλοία της

εταιρίας είναι σοβαρή πρόκληση για αυτήν. Γι' αυτό το σκοπό η κάθε εταιρία

συνεργάζεται µε τα πιο σύγχρονα ναυπηγεία για να διασφαλίσει ότι όλα τα

πλοία της διαθέτουν τα πιο σύγχρονα τεχνολογικά µέσα ώστε η λειτουργία

11

τους να σέβεται και να προστατεύει την ανεκτίµητη αλυσίδα ζωής, τόσο της

θάλασσας όσο και του αέρα. Παράλληλα, τα πλοία του στόλου πιστοποιούνται

σύµφωνα µε τα αυστηρότερα κριτήρια για την προστασία του περιβάλλοντος.

Παράλληλα, πολλά από τα πλοία των εταιριών είναι είναι

πιστοποιηµένα κατά τον κώδικα Ασφαλούς ∆ιαχείρισης ISM σύµφωνα µε τις

απαιτήσεις του SOLAS για την ασφάλεια της ανθρώπινης ζωής στη θάλασσα.

Επιπροσθέτως η κάθε ναυτιλιακή εταιρία µπορεί να έχει πλοία τα οποία είναι

πιστοποιηµένα κατά τα πρότυπα του κώδικα ∆ιαχείρισης Ποιότητος ISO

9001:2000 και οι µηχανές τους λειτουργούν µε τις αντίστοιχες νοµοθεσίες. Οι

πιστοποιήσεις έγιναν από τον Αµερικανικό Φορέα Πιστοποίησης ABS Quality

Evaluations του διεθνούς Οµίλου Εταιριών American Bureau of Shipping.

Η πιστοποίηση κατά τον κώδικα ∆ιαχείρισης Ποιότητος ISO 9001:2000

αποτελεί αναγνώριση του υψηλού επιπέδου υπηρεσιών που προσφέρει η

εταιρία. Τα νεότευκτα πλοία γραµµών θα πρέπει να είναι πλοία µε µηχανές

τελευταίας τεχνολογίας οι προδιαγραφές των οποίων διασφαλίζουν τη

συµµόρφωση προς τους ισχύοντες διεθνείς κανόνες προστασίας

περιβάλλοντος Marine Pollution (Marpol) όπως αυτοί ορίζονται από το διεθνή

οργανισµό International Maritime Organization (IMO).

Επιπλέον, η σχεδίαση των υφάλων όλων των νεότευκτων πλοίων

γίνεται µε στόχο τα κύµατα που παράγονται στην επιφάνεια της θάλασσας

κατά το ταξίδι, να επηρεάζουν το λιγότερο δυνατό τις διάφορες παράκτιες και

άλλες θαλάσσιες δραστηριότητες. Στόχος της κάθε εταιρίας είναι να προσφέρει

στους επιβάτες υψηλής ποιότητας υπηρεσίες περιορίζοντας παράλληλα

όποιες επιπτώσεις µπορεί να έχει η λειτουργία των πλοίων, όπως κάθε άλλη

ανθρώπινη δραστηριότητα άλλωστε, στο περιβάλλον. Η πολιτική της εταιρίας

για την ελάχιστη επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τη λειτουργία των

πλοίων της επιτυγχάνεται µέσα από ένα συνδυασµό ενεργειών :

Εξασφάλιση και διατήρηση της υψηλής απόδοσης κατά τη λειτουργία των

µηχανών και των διαφόρων άλλων µηχανηµάτων, µέσα από ένα

σύστηµα προληπτικής συντήρησης,

συνεχής επένδυση σε σύγχρονη τεχνολογία, φιλική προς το περιβάλλον,

12

αυστηρή τήρηση διεθνών και τοπικών κανονισµών.

1.3.1 Χαρακτηριστικά και Λειτουργία Μηχανών Βραδύστροφων

Κινητήρων Μεγάλης Ισχύος σε Πλοία

Οι µηχανές diesel για πλοία που σχεδιάζουν και παράγουν οι

κατασκευάστριες επιχειρήσεις στις µέρες µας, διακρίνονται σε δίχρονες και

τετράχρονες, βάσει των στροφών τους σε χαµηλών, µεσαίων και υψηλών

στροφών και βάσει της ισχύος τους σε µικρή, µεσαία και µεγάλη ιπποδύναµη.

Οι δίχρονες µηχανές συνδυάζουν χαµηλές στροφές λειτουργίας (µικρότερη

των 250 rpm) µε υψηλή απόδοση και χρησιµοποιούνται ως προωθητικές

µηχανές σε σχετικώς µεγάλα πλοία όπως τα bulk carriers ή τα tankers.

Οι τετράχρονες µηχανές λειτουργούν σε στροφές µεγαλύτερες των 250

rpm και χρησιµοποιούνται κατά κύριο λόγο ως προωθητικές µηχανές σε πλοία

µεσαίου µεγέθους ή σε πλοία που χρειάζονται µηχανές που λειτουργούν χωρίς

κραδασµούς, όπως τα κρουαζιερόπλοια. Επιπλέον, οι τετράχρονες µηχανές

χρησιµοποιούνται και ως βοηθητικές µηχανές για την παραγωγή ηλεκτρικού

ρεύµατος πάνω σε πλοία.

Οι υψηλόστροφες µηχανές χρησιµοποιούνται αποκλειστικά σχεδόν στα

πολεµικά πλοία. Οι µηχανές diesel µπορούν επίσης να παράγουν ρεύµα

στρέφοντας µία γεννήτρια αντί µίας έλικας, γι’ αυτό και οι µηχανές αυτές

µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε εγκαταστάσεις που παράγουν ηλεκτρική

ενέργεια είτε διαρκώς είτε περιοδικώς ή σε περιπτώσεις ανάγκης. Η

WARTSILA αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγµα των παραπάνων αφού

σχεδιάζει και παράγει τετράχρονες µηχανές diesel µε την ονοµασία SULZER

για πλοία τονάζ πάνω από 100 grt και τετράχρονες µηχανές diesel για

παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος.

Σύµφωνα µε τα παραπάνω, σχετικές αγορές των µηχανών

βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς 4000 PS) που αφορά σε λειτουργία

µηχανών πλοίων, είναι εκείνες των: α) δίχρονων µηχανών diesel για πλοία, β)

τετράχρονων µηχανών diesel για πλοία και γ) µηχανών diesel για παραγωγή

ηλεκτρικού ρεύµατος, συµπεριλαµβανοµένων και των ανταλλακτικών τους.

13

Είναι προφανές ότι οι µηχανές diesel βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς

4000 PS) για πλοία δεν θα µπορούσαν να υποκατασταθούν από µηχανές που

χρησιµοποιούν άλλες µορφές ενέργειας. Κάτι τέτοιο θα ήταν πρακτικά αδύνατο

µε βάση τις υπάρχουσες τεχνοοικονοµικές συνθήκες.

Η αυτονοµία και µόνον στην κίνηση του πλοίου, σε συνδυασµό µε τη

διεθνή τιµή του πετρελαίου, δεν επιτρέπει άλλη τεχνολογία για την πρόωση

ενός πλοίου εκτός της µηχανής diesel τύπου βραδύστροφων κινητήρων Diesel

(ισχύς 4000 PS). Αλλά ούτε υποκατάσταση µεταξύ δίχρονων και τετράχρονων

θα µπορούσε να γίνει, αφού χρησιµοποιούνται σε διαφορετικό τύπο πλοίου η

κάθε µία. Όσον αφορά στις µηχανές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι

µηχανές diesel δεν χρησιµοποιούνται στις κεντρικές µονάδες παραγωγής

ηλεκτρικής ενέργειας τουλάχιστον στα ανεπτυγµένα κράτη του κόσµου, όπου

προτιµώνται άλλες µορφές ενέργειας.

Θα πρέπει αντίστοιχα να σηµειωθεί πως οι βραδύστροφοι κινητήρες

Diesel (ισχύς 4000 PS) έχουν µελετηθεί, σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ειδικά

ως ναυτικές µηχανές πρόωσης, αφού διαθέτουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά.

Υψηλή απόδοση

Απλότητα κατασκευής

Μεγάλη αξιοπιστία

Συνήθως µε δυνατότητα αναστροφής

Πολλοί µεσόστροφοι και ταχύστροφοι κινητήρες έχουν υποστεί

κατάλληλες µετατροπές ώστε να προσαρµοστούν στις απαιτήσεις µιας

ναυτικής µηχανής όπως εκείνη της SULZER RTA. Τέτοιες µετατροπές

περιλαµβάνουν:

Προσθήκη διάταξης για την µείωση στροφών (µειωτήρας)

∆υνατότητα αναστροφής της φοράς περιστροφής (µειωτήρας και

συµπλέκτης ή αναστροφή της µηχανής)

Αντικατάσταση του ψυγείου αέρα µε ψυγείο θάλασσας

Αναπροσαρµογή της ονοµαστικής ισχύος του κινητήρα για αυξηµένη

αξιοπιστία σε ναυτικές εφαρµογές

14

Η σειρά κινητήρων βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς 4000 PS)

εµφανίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και γνώρισε µεγάλη αποδοχή

πρωτίστως στη ναυτιλία, αλλά και στην ηλεκτροπαραγωγή. Οι κινητήρες RTA

κατασκευάζονται, αναπτύσσονται και εξελίσσονται µέχρι σήµερα

εφοδιαζόµενοι µε την τελευταία λέξη της τεχνολογίας για τους αργόστροφους

δίχρονους κινητήρες, τα ψηφιακά ελεγχόµενα συστήµατα τροφοδοσίας τύπου

Common-Rail και τον ψηφιακά ελεγχόµενο µεταβλητό χρονισµό για τις

βαλβίδες εξαγωγής.

Σχήµα No.1 – Απεικόνιση Λειτουργίας Μηχανής τύπου βραδύστροφων κινητήρων

Diesel (ισχύς 4000 PS)

Η µηχανή βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς 4000 PS) (Σχήµα

Νο.1) είναι δίχρονη, µε κυλίνδρους διατεταγµένους σε σειρά, µε σύστηµα ροής

κατά µία διεύθυνση (διαµήκους αποπλύσεως), µε βαλβίδα στην κεφαλή και µε

15

υπερπληρωτές που λειτουργούν µε σύστηµα σταθερής πίεσης ή παλµώσεων.

Ο αέρας σάρωσης ψύχεται µε γλυκό ή θαλασσινό νερό και µπαίνει στους

κυλίνδρους µέσω ανεπίστροφων βαλβίδων, όταν το έµβολο βρίσκεται κοντά

στο ΚΝΣ. Στα χαµηλά φορτία τον αέρα συµπληρώνουν βοηθητικοί

ηλεκτροκίνητοι φυσητήρες ανεξάρτητης κίνησης.

Οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν υδραυλικά και οι κύλινδροι συνδέονται

µε τη βάση της µηχανής µε εντατήρες κοχλίες. Οι κεφαλές, τα χιτώνια και τα

έµβολα ψύχονται µε γλυκό νερό. Οι αντλίες λαδιού και νερού είναι 36

ανεξάρτητης κίνησης επίσης και ο εκκεντροφόρος κινείται από τον

στροφαλοφόρο, µέσω οδοντωτών τροχών. Ο ωστικός τριβέας και ο κρίκος,

τοποθετούνται στο άκρο του σφονδύλου και η µηχανή ξεκινάει µε αέρα

πιέσεως, που ανοίγει τις βαλβίδες αέρα των κυλίνδρων, µέσω διανοµέα.

Στο ακόλουθο σχήµα (Νο.2) παρουσιάζεται το σχέδιο τυπικού κινητήρα

της σειράς βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς 4000 PS) και σε αυτό

διακρίνονται τα βασικά εξαρτήµατα που τον απαρτίζουν. Τα κυριότερα από

αυτά αναλύονται στη συνέχεια συνοδευµένα από σχετικά επιµέρους σχέδια,

αλλά και µε αναφορά του καθενός στο σχέδιο Νο. 2.

Σχήµα Νο. 2 : Η µηχανή βραδύστροφων κινητήρων Diesel µεγάλης ισχύος (πάνω από

4000 PS)

16

Η λειτουργία µιας µηχανής βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς

4000 PS) παριστάνεται σχηµατικά στο σχήµα Νο.3 και περιλαµβάνει δύο

διαδροµές, την εκτόνωση και τη συµπίεση, στα πλαίσια κάθε µιας από τις

οποίες εκτελούνται οι διεργασίες που περιγράφονται στη συνέχεια και

παριστάνονται στα επιµέρους σχήµατα του σχήµατος Νο. 3

∆ιαδροµή 1η (Εκτόνωση): Το έµβολο Κ είναι στο ΑΝΣ και η βαλβίδα

εξαγωγής Α είναι κλειστή. Γίνεται έγχυση καυσίµου στην περιοχή αυτή.

Καύση: Το Κ κατέρχεται µε την πίεση των αερίων, η Α κλειστή και ο

στροφαλοφόρος στρέφεται.

Εκτόνωση: Η βαλβίδα Α ανοίγει και φεύγουν αέρια από τον κύλινδρο Ζ

προς τον οχετό εξαγωγής Ε.

Προεξαγωγή: Οι θυρίδες εισαγωγής είναι ακόµα κλειστές από το έµβολο

Κ. Κατερχόµενο παραπέρα το Κ ανοίγει την άνω άκρη Ο των θυρίδων

σάρωσης Ν. Η σάρωση αρχίζει και ο αέρας διώχνει τα καυσαέρια από

τον Ζ.

∆ιαδροµή 2η: Με το έµβολο στο ΚΝΣ η σάρωση συνεχίζεται και τα αέρια

δια της Α και του οχετού καυσαερίων Ε έρχονται στο στρόβιλο.

Σχ. 3 (6): Το Κ ανέρχεται και κλείνει το Ο των θυρίδων σάρωσης S, αλλά

η πίεση των αερίων στον Ε δεν αφήνει τον αέρα να φύγει από τον

κύλινδρο Ζ µέσω της Α.

Σχ. 3 (7): Το έµβολο Κ κινείται προς τα άνω και η Α κλείνει.

Σχ. 3(8): Παραπέρα ανύψωση του Κ συµπιέζει τον αέρα. Πριν το ΑΝΣ

γίνεται έγχυση και ανάφλεξη.

Επίσης, όπως φαίνεται στο σχήµα 3 (1), ο οχετός σάρωσης χωρίζεται

διαµήκως µε διάφραγµα µε ανεπίστροφες βαλβίδες Ε στο χώρο Η και Ρ και για

αυτό ο χώρος Η είναι ανοικτός σε όλους τους κυλίνδρους. Ο συµπιεστής L

καταθλίβει τον αέρα, ο οποίος οδηγείται µέσω του ψυγείου R και του

διαχωριστή νερού ΑS, στο χώρο Ρ και µέσω των Ε στον Η. Ο ανεξάρτητος

ηλεκτροφυσητήρας ΗG λειτουργεί µόνον πριν από την εκκίνηση της µηχανής,

στα χαµηλά φορτία και στην εκτέλεση κινήσεων(στα πλοία), όταν ο

συµπιεστής L στέλνει λίγο ή καθόλου αέρα. Αυτός αναρροφά αέρα µέσω της

βαλβίδας ΕH από τον χώρο Ρ και τον καταθλίβει στο χώρο Η.

17

Σχήµα Νο. 3 : Λειτουργία κινητήρα βραδύστροφων κινητήρων Diesel (ισχύς

4000 PS).

1.4 Η Έννοια και τα Χαρακτηριστικά των Υπερσυµπιεστών

(Compressor Turbo) στα Πλοία

Ο υπερσυµπιεστής (turbo) χρησιµοποιείται, προκειµένου να αυξηθεί η

ιπποδύναµη ενός κινητήρα. Τα καυσαέρια, µέσω της εξαγωγής, οδηγούνται

σε µία φτερωτή, προκαλώντας την περιστροφή της. Μέσω ενός µικρού άξονα,

η περιστροφική κίνηση µεταβιβάζεται σε µία άλλη έλικα, που είναι

τοποθετηµένη στην αντίθετη άκρη του και η οποία συµπιέζει αέρα στο

σύστηµα εισαγωγής του κινητήρα (Alderton, Winchester, 2002).

Πρακτικά, δηλαδή, ρουφάει µε πολλή πίεση αέρα και τον οδηγεί στο

θάλαµο καύσης, επιτυγχάνοντας έτσι καλύτερη αναλογία οξυγόνου και

ποσότητας καυσίµου. Το κέλυφος του turbo είναι αρκετά ευαίσθητο επειδή

συστέλλεται και διαστέλλεται ανάλογα µε τη θερµοκρασία.

Οι υπερσυµπιεστές που χρησιµοποιούνται στις Μηχανές Εσωτερικής

Καύσης στα πλοία, χρησιµοποιούν την ενέργεια των καυσαερίων του κινητήρα

18

για ν' αυξήσουν την ποσότητα του αέρα (κι εποµένως και του καυσίµου) που

εισέρχεται στον κινητήρα σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Αυτό γίνεται µε την

κίνηση ενός µικρού στροβίλου (τουρµπίνας) από τα καυσαέρια, που µε τη

σειρά του µεταδίδει την κίνηση σ' ένα συµπιεστή που συµπιέζει τον αέρα

εισαγωγής (Woodyard, 1995).

Έτσι στον ίδιο χώρο µπορούσε να έχουµε µεγαλύτερη µάζα αέρα, κι

εποµένως µπορούµε να τον αναµείξουµε µε µεγαλύτερη µάζα καυσίµου. Οι

υπερσυµπιεστές βέβαια δεν λύνουν όλα τα προβλήµατα, ή καλύτερα λύνουν

ορισµένα και δηµιουργούν άλλα στην λειτουργία των µηχανών των πλοίων

Και πρώτα απ' όλα, πέρα από τα λειτουργικά προβλήµατα, υπάρχουν τα

προβλήµατα αυξηµένου κόστους και διαθέσιµου χώρου.

Πέρα όµως από τις προσπάθειες για συµπίεση του κόστους

παραγωγής τους σε µηχανές πλοίων, πρέπει να υπάρξουν και άλλες για

ουσιαστική µείωση των καταναλώσεων σε σχέση µε τους συµβατικούς

κινητήρες, ώστε η λειτουργία ενός πλοίου µε κινητήρα µε υπερσυµπιεστή να

είναι συµφέρουσα.

Όσο για το κόστος πιστεύεται ότι, αφενός θα µειωθεί όταν η παραγωγή

γίνει περισσότερο µαζική, αφετέρου είναι ήδη µειωµένο, από το γεγονός ότι

για την ίδια ισχύ χρειαζόµαστε µικρότερους κι εποµένως φτηνότερους

κινητήρες. Από την άλλη πλευρά, σχετικά µε το πρόβληµα του χώρου, η

προσπάθεια είναι να µειωθεί το µέγεθος του υπερσυµπιεστή, αλλά και να είναι

εύκολη η τοποθέτησή του κάτω από το καπό, ανάλογα µε το είδος και τις

απαιτήσεις του κινητήρα στα πλοία (Alderton, Winchester, 2002).

Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι η έρευνα που πραγµατοποιήθηκε

από την Forrester Consulting και απέδειξε ότι οι υπερσυµπιεστές της ΑΒΒ

βελτιώνουν περαιτέρω την απόδοση των µηχανών και µειώνουν την

κατανάλωση καυσίµου στα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. Σύµφωνα µε τα

αποτελέσµατα της έρευνας η αναβάθµιση υπερσυµπιεστών της εταιρείας

δηµιουργούν απόδοση επί της επένδυσης (ROI) σε ποσοστό 64%, η οποία

προέρχεται από την αύξηση της απόδοσης των µηχανών η οποία

αποτιµήθηκε σε $537.000 σε ετήσια βάση αλλά και από την µείωση της

19

κατανάλωσης καυσίµου που µπορεί να οδηγήσει σε εξοικονόµηση $470.000

κατ” έτος (ή ποσοστό 1,6% επί της ετήσιας κατανάλωσης καυσίµων)

(Woodyard, 1995).

Τα αποτελέσµατα βασίστηκαν στην λειτουργία τριών µηχανών σε

εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στην Καραϊβική οι οποίες χρησιµοποιούσαν

συνολικά έξι υπερσυµπιεστές. Η έρευνα καταλήγει ότι το κόστος της

επένδυσης για την αναβάθµιση των υπερσυµπιεστών µπορεί να αποσβεστεί

µέσα σε 11 µήνες.

Οι υπερσυµπιεστές χρησιµοποιούν τα καυσαέρια της µηχανής

προκειµένου να τροφοδοτήσουν τους κυλίνδρους µε περισσότερο αέρα

βελτιώνοντας την απόδοσή τους. Η αναβάθµιση αφορά την αντικατάσταση

παλαιών υπερσυµπιεστών ή τµηµάτων τους, µε νέα καλύτερης τεχνολογίας

(Φραγκόπουλος, 2005).

Ωστόσο άλλα προβλήµατα των κινητήρων µε υπερσυµπιεστή είναι η

καθυστέρηση απόκρισης στη ταχύτητα του πλοίου και η αδυναµία για επίπεδη

καµπύλη ροπής. Το ιδανικό θα ήταν να µπορούσαµε να έχουµε µεγάλες

ταχύτητες περιστροφής του υπερσυµπιεστή σ' όλη την κλίµακα των στροφών

κατά την διάρκεια λειτουργίας των µηχανών στα πλοία. Αν όµως

µεγιστοποιήσουµε την ταχύτητα του συµπιεστή στις χαµηλές στροφές σε

αυτά, η υπερτροφοδοσία θα είναι υπερβολική στις πολλές στροφές, µε

αποτέλεσµα πολύ µεγάλες πιέσεις, που θα ξεπερνούν την αντοχή του

κινητήρα ή υπερβολική ταχύτητα και κατά συνέπεια καταστροφή του

υπερσυµπιεστή.

Ο συµβιβασµός που γίνεται συνήθως σήµερα είναι να διαλέγεται ο

υπερσυµπιεστής για βέλτιστη λειτουργία στις µεσαίες στροφές και να

περιορίζεται η ροή των καυσαερίων στις πολλές στροφές µε βαλβίδα

διαφυγής (waste gate) που «διακλαδώνει» µέρος της ροής και δεν το αφήνει

να περάσει από την τουρµπίνα. Φυσικά έτσι χάνεται µέρος της ενέργειας των

καυσαερίων στα πλοία.

20

Μια διαφορετική αντιµετώπιση αυτού του προβλήµατος θα ήταν η

ρύθµιση της διατοµής της ροής στο κέλυφος της τουρµπίνας στη µηχανή των

πλοίων. Η ταχύτητα της τουρµπίνας θα µπορούσε να διατηρηθεί ψηλά και

στις χαµηλές στροφές του κινητήρα, µειώνοντας τη διατοµή του κελύφους.

Όταν ο κινητήρας αύξανε τις στροφές του, η διατοµή θα άνοιγε για να

αποφευχθεί η υπερβολική υπερτροφοδοσία.

Έτσι θα είχαµε σταθερή ταχύτητα υπερσυµπιεστή κι εποµένως

σταθερή πίεση εισαγωγής σ' όλο το πεδίο λειτουργίας του κινητήρα, λύνοντας

έτσι πολλά προβλήµατα και βελτιώνοντας τα χαρακτηριστικά του κινητήρα

(κατανάλωση, εκποµπές, καµπύλη ροπής, καθυστέρηση απόκρισης κ.λπ.)

(Woodyard, 1995).

Ο έλεγχος της ροής θα µπορούσε επίσης να γίνεται από την πλευρά

του συµπιεστή αντί από την πλευρά της τουρµπίνας. µια άλλη από τις λύσεις

που δοκιµάζονται είναι η υπερσυµπίεση δύο βαθµίδων. Συνήθως δύο

υπερσυµπιεστές τοποθετούνται εν σειρά. Το αποτέλεσµα είναι µεγάλη ροπή,

αλλά και οµαλότερη καµπύλη ροπής, χωρίς µεγάλη καταπόνηση των

υπερσυµπιεστών. Συνήθως µία βαλβίδα διαφυγής (wastegate) τοποθετείται

µεταξύ των δύο στροβίλων, όπως φαίνεται και στο σχήµα, για ν'

αποφευχθούν υπερβολικά µεγάλες πιέσεις στη λειτουργία µε πολλές στροφές

(Φραγκόπουλος, 2005).

Έτσι όταν η πίεση από την πλευρά της εξόδου των καυσαερίων

ξεπεράσει ένα όριο µετά την πρώτη τουρµπίνα, µέρος των καυσαερίων

διακλαδώνεται για να µην περάσει από τη δεύτερη. µε τον τρόπο αυτό ο

αντίστοιχος συµπιεστής συµπιέζει λιγότερο τον αέρα και η συνολική

υπερσυµπίεση είναι µικρότερη.

Για την αποφυγή προβληµάτων υπερθέρµανσης (κύρια του

αλουµινένιου συµπιεστή υψηλής πίεσης) χρειάζεται ψύξη του συµπιεσµένου

από την πρώτη βαθµίδα αέρα εισαγωγής. Θα ήταν δυνατό να

χρησιµοποιηθούν άλλα υλικά µε καλύτερη συµπεριφορά στις ψηλές

θερµοκρασίες, αυτό όµως θα αύξανε, λόγω µεγαλύτερου βάρους, την

21

αδράνεια του περιστρεφόµενου µέρους (ρότορα) του συµπιεστή (κι εποµένως

και την καθυστέρηση απόκρισης) ( ).

Επίσης θα αύξανε και το κόστος υπερσυµπιεστή. Βασικό πρόβληµα

στην υπερσυµπίεση δύο βαθµίδων είναι φυσικά ο όγκος του συστήµατος. Το

πρόβληµα του χώρου, που ήδη υπάρχει για την υπερσυµπίεση µίας

βαθµίδας, γίνεται έτσι οξύτερο. µια άλλη εφαρµογή για τη διατήρηση µεγάλων

ταχυτήτων της τουρµπίνας και στις χαµηλές στροφές του κινητήρα και για

περισσότερη υπερσυµπίεση είναι το σύστηµα Υπερµπάρ (Hyperbar).

Στο σύστηµα αυτό χρησιµοποιείται υπερσυµπιεστής µίας βαθµίδας,

που περιλαµβάνει όµως και βαθµίδα µετάκαυσης πριν την εκτόνωση των

καυσαερίων στην τουρµπίνα. Ο καυστήρας αυτός µπαίνει σε λειτουργία κάτω

από έναν ορισµένο αριθµό στροφών του κινητήρα διατηρώντας έτσι µεγάλη

ταχύτητα της τουρµπίνας και του συµπιεστή, κι εποµένως σταθερή

υπερσυµπίεση και σταθερή ροπή και στις µικρές ταχύτητες του κινητήρα.

Επιπλέον, για το ξεκίνηµα, µε µια διακλάδωση (by pass) του αέρα εισαγωγής

το σύστηµα µετατρέπεται προσωρινά σε αεριοστρόβιλο (Woodyard, 1995).

Έτσι ο συµπιεστής φτάνει σ' έναν αριθµό στροφών τέτοιο που να

επιτρέπει ικανοποιητική παροχή του αέρα για να ξεκινήσει η λειτουργία του

κινητήρα. Τότε η διακλάδωση κλείνει και ο αέρας διοχετεύεται πλέον στους

κυλίνδρους, συµπιεσµένος και ζεστός αρκετά, για να γίνει το ξεκίνηµα χωρίς

προβλήµατα.

Επίσης η διακλάδωση χρησιµοποιείται για να µπορεί να υπάρχει

σταθερή ροή αέρα από το συµπιεστή, άσχετα µε τις απαιτήσεις της µηχανής

διοχετεύοντας τον περσσευούµενο αέρα προς την εξαγωγή. Τα

πλεονεκτήµατα του συστήµατος είναι το πανεύκολο ξεκίνηµα τού κρύου

κινητήρα, η µεγάλη και σχετικά σταθερή σ' όλο το εύρος των στροφών ροπή

και η γρήγορη απόκριση. Από την άλλη πλευρά η κατανάλωση αυξάνει, όταν

λειτουργεί ο καυστήρας και το σύστηµα παροχής καυσίµου που απαιτείται γι'

αυτόν προσθέτει κόστος, πολυπλοκότητα και προβλήµατα αξιοπιστίας

(Alderton, Winchester, 2002).

22

1.5 Παράγοντες που Επηρεάζουν την Λειτουργία τους στα Πλοία

1.5.1 Η Λειτουργία της VTA - Variable Turbine Area for TCA

Turbochargers στις Μηχανές Πλοίων

Μια άλλη, διαφορετική καινούρια τεχνολογία προκειµένου να αυξηθεί η

απόδοση του κινητήρα σε συνθήκες slow steaming είναι η τεχνολογία VTA

(Variable Turbine Area). H τεχνολογία αυτή βρίσκει εφαρµογή στις µηχανές

της εταιρίας ΜΑΝ. Με την εγκατάσταση αυτής της τουρµπίνας, ο αέρας που

εισάγεται στον κύλινδρο είναι περίπου ίσος µε το καύσιµο που εγχέεται

(Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

Με αυτό τον τρόπο, η διαδικασία της καύσης βελτιστοποιείται σε όλα τα

σηµεία της δίνοντας µεγαλύτερη αποδοτικότητα στην λειτουργία της µηχανής

σε χαµηλές ταχύτητες. Αυτό µπορεί να συµβεί µε την αντικατάσταση των

ελατηρίων µέσα στον υπερσυµπιεστή µε ένα ελατήριο που έχει πτερύγια µε

µεταβλητό βήµα (Φραγκόπουλος, 2005).

Το ελατήριο αυτό τοποθετείται στην πλευρά της εξόδου των

καυσαερίων του υπερσυµπιεστή. Ρυθµίζοντας την κλίση των πτερυγίων

ελέγχεται η ταχύτητα του υπερσυµπιεστή και µε τον τρόπο αυτό ελέγχεται η

ποσότητα του αέρα, η οποία εισάγεται µέσα στον κύλινδρο. Στην εικόνα Νο.1

φαίνεται το ελατήριο µε τα πτερύγια το οποίο εισάγεται στην πλευρά της

εξόδου των καυσαερίων του υπερσυµπιεστή (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

23

Εικόνα Νο.1 : Τεχνολογία VTA

To σύστηµα αυτό έχει το πλεονέκτηµα, εκτός από το να αυξάνει την

αποδοτικότητα της µηχανής µέσω της βελτιστοποίησης των συνθηκών

καύσης των καυσαερίων, να ελαχιστοποιεί τον καπνό και την αιθάλη που

παράγεται στις χαµηλές ταχύτητες. Το ελατήριο αυτό µε τα πτερύγια µπορεί

επίσης να εγκατασταθεί σε υπάρχοντες υπερσυµπιεστές µε πολύ απλό και

εύκολο τρόπο (Φραγκόπουλος, 2005).

1.5.2 Χρήση Electro-Assisted Turbocharger (MHI)

Μια από τις αναβαθµίσεις που µπορούν να γίνουν στις κύριες µηχανές

των πλοίων προκειµένου αυτές να µπορούν να δουλεύουν σε συνθήκες

χαµηλής πλεύσης είναι η εφαρµογή ενός υβριδικού ηλεκτροβοηθούµενου

υπερσυµπιεστή. (turbocharger). H µηχανή αυτή µπορεί να εξοικονοµήσει

µέχρι και 30% στην ηλεκτρική ενέργεια σε σχέση µε τις συµβατικές µηχανές.

Το υβριδικό turbocharger µπορεί να αυξήσει την ισχύ τις µηχανής

πετυχαίνοντας µεγάλη οικονοµία στα καύσιµα (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

Η µηχανή αυτή, συνδυάζει έναν ηλεκτροκινητήρα ο οποίος παρέχει την

ενέργεια στον υβριδικό υπερσυµπιεστή, ο οποίος χρησιµοποιείται για την

παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα καυσαέρια του κινητήρα (Kiyoko,

Shiraishi, Ono, 2012).

24

Εικόνα Νο.2 : Electro-assisted turbocharger

Ο κινητήρας αυτός, σύµφωνα µε την κατασκευάστρια εταιρία παρέχει

την µέγιστη απόδοση της µηχανής όταν αυτή λειτουργεί σε διαδικασία slow

steaming βελτιώνοντας την καύση του καυσίµου στην κύρια µηχανή και

ταυτόχρονα επιτρέπει την ίδια ή και καλύτερη απόδοση της µηχανής σε σχέση

µε τις συµβατικές µονάδες χρησιµοποιώντας την λιγότερη ενέργεια (Alderton,

Winchester, 2002).

Ο υβριδικός υπερσυµπιεστής είναι απόλυτα συµβατός µε τους

περιβαλλοντικούς κανόνες σχετικά µε τις εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου

και µπορεί να εγκατασταθεί πολύ εύκολα στην κύρια µηχανή του πλοίου

χωρίς να χρειάζονται σηµαντικές αλλαγές σε αυτή, έχει µεγάλη διάρκεια ζωής

και µπορεί να συντηρηθεί εύκολα (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

1.5.3 Hybrid Turbocharger (MHI)

Ο υβριδικός υπερσυµπιεστής χωρίς την ηλεκτροβοήθεια είναι µια άλλη

εφαρµογή η οποία µπορεί να εφαρµοστεί στην κύρια µηχανή ενός πλοίου

25

προκειµένου αυτό να ταξιδεύει µε χαµηλή ταχύτητα πλεύσης. Σύµφωνα µε τον

Οno, et.al, (2013) o υπερσυµπιεστής είναι εξοπλισµένος µε µια γεννήτρια η

οποία χρησιµοποιεί την ενέργεια των καυσαερίων κατά τη θύρα εισόδου του

υπερσυµπιεστή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όπως ακριβώς κάνει

και µια συµβατική τουρµπίνα. Παρόλα αυτά όµως, ο υβριδικός

υπερσυµπιεστής έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τις συµβατικές

µεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012):

Χρειάζονται ελάχιστες τροποποίησης της κύριας µηχανής για την

εγκατάσταση του υβριδικού υπερσυµπιεστή και η µετασκευή είναι

σχετικά εύκολη.

Το σύστηµα δεν έχει θερµικές απώλειες και ο υπερσυµπιεστής παρέχει

πολύ µεγάλη αποδοτικότητα

Μπορεί να επιτευχθεί επιτάχυνση του υπερσυµπιεστή

χρησιµοποιώντας την γεννήτρια ως κινητήρα

Εικόνα Νο.3: Υβριδικός υπερσυµπιεστής

Σύµφωνα µε µελέτες της κατασκευάστριας εταιρίας ο υβριδικός

υπερσυµπιεστής µπορεί να παρέχει (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012):

10 % βελτίωση στην απόδοση των καυσίµων στις χαµηλές ταχύτητες

πλεύσης

26

50% βελτίωση στην ροπή του κινητήρα στις χαµηλές ταχύτητες

πλεύσης

Μείωση κατά 70% της καθυστέρησης του κινητήρα κατά την

επιτάχυνση

Ο υβριδικός υπερσυµπιεστής εγκαθίσταται στο κάτω µέρος της

µηχανής και συνδέεται µε την κύρια µηχανή µε εύκαµπτη σύζευξη.

1.5.4 Περίπτωση Αποκοπής Υπερσυµπιεστή (Turbocharger Cut-out)

Μια άλλη µέθοδος µετατροπής της κύριας µηχανής προκειµένου να

επιτευχθεί, χωρίς προβλήµατα, η χαµηλή ταχύτητα πλεύσης είναι η αποκοπή

του ενός υπερσυµπιεστή (turbocharger) από την κύρια µηχανή, µε

αποτέλεσµα την αύξηση των στροφών ανά λεπτό των άλλων

υπερσυµπιεστών (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

Η αύξηση των στροφών των υπερσυµπιεστών αυξάνει και την

θερµοκρασία του αέρα αλλά αυτό δεν αποτελεί πρόβληµα στην όλη

διαδικασία του slow steaming. Aπο την άλλη αυτή η αύξηση της

θερµοκρασίας του αέρα, αυξάνει την αποδοτικότητα των υπερσυµπιεστών και

δίνει περισσότερο αέρα στην διαδικασία της καύσης του καυσίµου. Πρέπει να

σηµειωθεί πως αυτή η µέθοδος είναι κατάλληλη για µηχανές µε

περισσότερους υπερσυµπιεστές (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

27

Εικόνα Νο.4 – Βαλβίδα Αποκοπής Υπερσυµπιεστή

Η ίδια διαδικασία µπορεί να επιτευχθεί µε την αποκοπή ενός

υπερσυµπιεστή από τις βαλβίδες. Αυτές οι βαλβίδες όπως φαίνεται και στην

παρακάτω εικόνα έχουν ύψος 1,5 µέτρο και ζυγίζουν 850 κιλά και

ανοιγοκλείνουν µέσω ενός πνευµατικού κυλίνδρου ο οποίος κινείται από τον

αέρα. Ο µοχλός ο οποίος ανοιγοκλείνει τις βαλβίδες, «κλειδώνει» και µε αυτό

τον τρόπο αποτρέπεται το ανοιγόκλειµα της βαλβίδας χωρίς λόγο.

Προκειµένου να επιτευχθεί η αποκοπή του υπερσυµπιεστή η βαλβίδα

θα πρέπει να προσαρµοστεί µετά από τον συµπιεστή του αέρα και πριν από

την έξοδο των καυσαερίων του υπερσυµπιεστή. Αυτή η προσαρµογή που

επιτρέπει την αποκοπή του ενός υπερσυµπιεστή φαίνεται στην εικόνα Νο.5.

(De Boer, et.al, 2011)

28

Εικόνα Νο.5 κα 6 – Περιπτώσεις Βαλβίδας Αποκοπής Υπερσυµπιεστή

29

Εικόνα Νο.7 : Προσαρµογή βαλβίδας για την αποκοπή του

υπερσυµπιεστή

30

2. Κεφάλαιο ∆εύτερο – Παράγοντες που Επηρεάζουν την

Λειτουργία των Πλοίων µε τη Χρήση Υπερσυµπιεστών Καθώς

και Πλεονεκτήµατα – Μειονεκτήµατα Αυτών

2.1 Στοιχεία Θεωρίας Χρήσης Υπερσυµπιεστών σε ΜΕΚ

2.1.1 Ενεργειακό ισοζύγιο συµπιεστή – στροβίλου

Ο στρόβιλος και ο υπερσυµπιεστής είναι συνδεδεµένοι σε κοινή

άτρακτο και περιστρέφονται µε την ίδια ταχύτητα. Η ισχύς που απορροφά ο

στρόβιλος από τα καυσαέρια µετατρέπεται σε ισχύ στο συµπιεστή, ο οποίος

τη χρησιµοποιεί για να αυξήσει την παροχή και την πίεση του αέρα σάρωσης

του κινητήρα. Λόγω των απωλειών τριβής στα έδρανα του υπερπληρωτή η

ισχύς στροβίλου και συµπιεστή διαφέρει, µε την ισχύ του συµπιεστή να είναι

φυσικά µικρότερη. Το ισοζύγιο ισχύος στην άτρακτο του

στροβιλουπερπληρωτή δίνεται απ’ τον ακόλουθο τύπο:

P =P ⇒m c T2−T1 =m c (T −T) ή (5.1) CT apaη GpG34mTmC

2.1.2 Ισεντροπικός Βαθµός Απόδοσης Υπερσυµπιεστή

Ο ισεντροπικός βαθµός απόδοσης ενός υπερσυµπιεστή µας δίνει το

λόγο του απαιτούµενου έργου για αδιαβατική συµπίεση προς το πραγµατικό

έργο για την επίτευξη του ίδιου λόγου πίεσης ή µε πιο απλά λόγια αποτελεί

ένα µέτρο σύγκρισης µεταξύ της πραγµατικής απόδοσης µιας θερµικής

µηχανής και της απόδοσης που θα επιτυγχανόταν σε ιδανικές συνθήκες για

την ίδια κατάσταση εισόδου και την ίδια πίεση εξόδου. Ορίζεται ως:

ηisC = T2is − T1 ή T2 − T1

Ο βαθµός απόδοσης του υπερπληρωτή είναι το επιµέρους γινόµενο

των ισεντροπικών βαθµών απόδοσης συµπιεστή και στροβίλου καθώς και

των µηχανικών βαθµών απόδοσης αυτών. Με αυτό τον τρόπο δεν χρειάζεται

να γνωρίζουµε τους επιµέρους ισεντροπικούς και µηχανικούς βαθµούς

απόδοσης συµπιεστή και στροβίλου, ούτε τις θερµοκρασίες εξόδου. Έχουµε

µια απευθείας εκτίµηση του βαθµού απόδοσης ολόκληρου του υπερ-

31

πληρωτή χωρίς να µας ενδιαφέρει πως µοιράζονται οι απώλειες στις

συνιστώσες του.

2.2 ∆ιαδικασία Slow Steaming στις Κύριες Μηχανές του Πλοίου και

Λειτουργία Υπερσυµπιεστών

Η διαδικασία του slow steaming, έχει επιπτώσεις στην κύρια µηχανή

του πλοίου και φυσικά στην λειτουργία των υπερσυµπιεστών. Εκτός από τις

θετικές επιπτώσεις του slow steaming στην κατανάλωση καυσίµου αλλά και

στην µείωση των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου υπάρχουν και κάποιες

πτυχές, που αφορούν την κύρια µηχανή του πλοίου που θα πρέπει να

προσεχτούν ιδιαίτερα στην λειτουργία των υπερσυµπιεστών (Kiyoko,

Shiraishi, Ono, 2012).

Σε ένα πλοίο το οποίο ταξιδεύει σε διαδικασία slow steaming µπορούν

να προκληθούν προβλήµατα στην κύρια µηχανή του πλοίου µε την λειτουργία

των υπερσυµπιεστών όπως είναι:

Η απώλεια θερµότητας

Χαµηλή απόδοση του turbocharger

Χαµηλή απόδοση λειτουργίας της προπέλας του πλοίου

Αυξηµένη ρύπανση του κύτους του πλοίου και της προπέλας που

οφείλεται στην µειωµένη ταχύτητα και στις χαµηλές ταχύτητες ροής

Τα βοηθητικά συστήµατα µπορούν εν µέρει να ανακτήσουν την χαµένη

θερµότητα αλλά και αυτά, δεν είναι σχεδιασµένα για να δουλεύουν

συνεχόµενα και µπορεί να προκληθούν φθορές και σε αυτά

Αύξηση της ανάγκης για λίπανση λόγω της χαµηλής ταχύτητας

πλεύσης

Αυξάνονται οι δονήσεις στην µηχανή εξαιτίας των χαµηλών στροφών

στην οποία δουλεύει

32

Μπορεί να προκληθεί το φαινόµενο της σπηλαίωσης στην προπέλα

του πλοίου.

Σύµφωνα µε την µελέτη των Faber,et.al (2012) οι περισσότερες από τις

παραπάνω επιπτώσεις που µπορεί να προκληθούν στην κύρια µηχανή του

πλοίου και στην λειτουργία των υπερσυµπιεστών από την πλεύση σε χαµηλές

ταχύτητες, µπορούν να υπερκεραστούν µε κάποιες µετασκευές της µηχανής

ό. Κάποιες άλλες όπως είναι η µείωση της αποδοτικότητας της προπέλας

µπορούν να αγνοηθούν, καθώς δεν παίζουν σηµαντικό ρόλο στην συνολική

απόδοση της µηχανής του πλοίου (Alderton, Winchester, 2002).

Παρ’ όλα αυτά όµως, υπάρχουν και βλάβες και φθορές οι οποίες είναι

σηµαντικές για την συνολική λειτουργία του πλοίου όπως είναι οι βοηθητικές

µηχανές που είναι απαραίτητες για την εκκίνηση ενός κινητήρα. Η συνεχόµενη

λειτουργία των βοηθητικών µηχανών εξαιτίας της µειωµένης αποδοτικότητας

των υπερσυµπιεστών, αυξάνει την συχνότητα συντήρησης που χρειάζονται σε

συνδυασµό µε την αύξηση των πιθανοτήτων για πιθανές φθορές που µπορεί

να παρουσιάσουν (Φραγκόπουλος, 2005).

Για παράδειγµα, εάν όλες οι βοηθητικές µηχανές χαλάσουν, δεν θα

είναι δυνατή η εκκίνηση της κύριας µηχανής του πλοίου και η λειτουργία των

υπερσυµπιεστών. Για αυτό τον λόγο µια έξτρα βοηθητική µηχανή θα πρέπει

να υπάρχει πάντα στο πλοίο σε περίπτωση µεγάλων και κρίσιµων φθορών

των κανονικών βοηθητικών µηχανών (Woodyard, 1995).

2.3 Η Λειτουργία των Υπερσυµπιεστών στην Σχεδίαση και Λειτουργία

των Πράσινων Πλοίων

Η σχεδίαση ενός πλοίου, είναι µια πολύπλοκη διαδικασία στην οποία

πρέπει να συνεργαστούν πολλοί εξειδικευµένοι άνθρωποι διαφόρων

ειδικοτήτων όπως ναυπηγοί, µηχανολόγοι, µηχανικοί, ηλεκτρολόγοι και

σχεδιαστές. Είναι µια εργασία που απαιτεί οµαδική δουλεία και θα πρέπει να

λαµβάνονται υπόψη µια σειρά από διαφορετικούς παράγοντες και

παραµέτρους. Οι κανονισµοί των νηογνωµόνων από την άλλη, δηµιουργούν

µια σειρά από περιορισµούς, απαραίτητους όµως για την ασφαλή λειτουργία

33

του πλοίου. Πρακτικά αυτό σηµαίνει ότι για να ικανοποιήσουµε µια απαίτηση,

κάποια άλλη δεν θα εκπληρωθεί εξ’ ολοκλήρου.

Ειδικά για την περίπτωση των πράσινων πλοίων και η λειτουργία των

υπερσυµπιεστών, δεν είναι πάντοτε δυνατό να επιτύχουµε στο µέγιστο βαθµό

τα οφέλη που απορρέουν από την χρήση µιας συγκεκριµένης τεχνολογίας.

Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η ναυτιλιακή και η ναυπηγική βιοµηχανία

έχει λάβει γνώση για τα µέτρα τα οποία πρέπει να ληφθούν προκειµένου να

αντιµετωπίσουν το ζήτηµα της µείωση αερίων εκποµπών (SΟΧ, NΟΧ, CO2)

και της θαλάσσιας ρύπανσης. Είναι γεγονός πάντως πως για όσο τα εµπορικά

πλοία θα καταναλώνουν υδρογονάνθρακες για να παράγουν ενέργεια για την

λειτουργία τους, θα συνεχίζεται η ρύπανση της ατµόσφαιρας. Έτσι γίνεται

σαφές πως ο εταιρείες της βιοµηχανίας σε συνδυασµό µε τα ναυπηγεία έχουν

επιτείνει την προσπάθεια τους ούτως ώστε να συµβάλλουν στο σχεδιασµό και

τη λειτουργία πλοίων µε µειωµένες εκποµπές αερίων και µειωµένο οικολογικό

αποτύπωµα.

2.3.1 Μείωση Εκποµπών NOx στις Ναυτικές Μηχανές Μέσω της

Λειτουργίας των Υπερσυµπιεστών

Τα πλοία είναι από τις µεγαλύτερες πηγές εκποµπών οξειδίων του

αζώτου (ΝΟx) και οξειδίων του θειου (SΟx) στον κόσµο. Οι εκποµπές αέριων

ρύπων αποτελούν έναν από τους πιο σηµαντικούς παράγοντες που

επιβαρύνουν το θαλάσσιο περιβάλλον αλλά και τη στεριά (Alderton,

Winchester, 2002). Ο ∆ιεθνής Ναυτιλιακός Οργανισµός (ΙΜΟ), έχει θεσπίσει

συγκεκριµένους κανονισµούς που αφορούν στις εκποµπές οξειδίων του

αζώτου από τα πλοία για τη µείωση της ατµοσφαιρικής ρύπανσης που

προκαλείται από αυτά. Τα πρότυπα τα οποία προβλέπονται από τον

κανονισµό ΙΜΟ Tier ΙΙΙ απαιτούν από τα πλοία τα οποία θα ναυπηγηθούν το

2016 ή αργότερα να έχουν µειώσει τις εκποµπές NOx κατά 80% σε σχέση µε

τα επίπεδα του 2010.

Προκειµένου να συµµορφωθούν µε το νέο αυτό αυστηρό πρότυπο, οι

κατασκευαστές µηχανών πλοίων αλλά και οι ναυπηγοί πρέπει να εργαστούν

από κοινού για την ανάπτυξη και εφαρµογή των νέων τεχνολογιών όπως η

34

λειτουργία των υπερσυµπιεστών. Ένα σύστηµα που έχει σχεδιαστεί και

αναπτυχθεί είναι το SCR (Selective Catalytic Reduction) µε τη λειτουργία των

υπερσυµπιεστών.

Είναι ένα σύστηµα το οποίο λειτουργεί µε αναερόβια έγχυση ουρίας

πολλαπλών σηµείων που µειώνει τα παραγόµενα NOx. Η λογική λειτουργίας

του εν λόγω συστήµατος, είναι στο να ψεκάζει ένα µείγµα απιονισµένου νερού

και ουρίας στα καυσαέρια του πλοίου. Η θερµότητα στο σύστηµα εξαγωγής

καυσαερίων, µετατρέπει την ουρία σε αµµωνία η οποία αντιδρά µε τα οξείδια

του αζώτου σε έναν καταλυτικό µετατροπέα. Από την αντίδραση προκύπτει

άζωτο, το οποίο είναι αβλαβές, και ατµός. Τα αναπτυσσόµενα SCR µπορούν

να τοποθετηθούν σε πολλούς τύπους ναυτικών µηχανών και σε

διαφορετικούς τύπους πλοίων (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

2.3.2 Εξοικονόµηση Ενέργειας Μέσω της Λειτουργίας των

Υπερσυµπιεστών

Προκείµενου να υπάρχει εξοικονόµηση ενέργειας στα πλοία, έχουν

αναπτυχτεί µια σειρά από νέες πράσινες τεχνολογίες όπως η λειτουργία των

υπερσυµπιεστών. Οι πιο βασικές από αυτές είναι: η βελτιστοποίηση της

µορφής της γάστρας του πλοίου, µείωση των εκποµπών αερίων µέσω της

ανακυκλοφορίας αέριων ρύπων (EGR systems), µείωση της τριβής, µείωση

της ταχύτητας του πλοίου.

2.3.3 Μείωση των Εκποµπών Αερίων Μέσω της Ανακυκλοφορίας

Αερίων Ρύπων στους Υπερσυµπιεστές Πλοίων

Η Man Diesel ανέπτυξε ένα σύστηµα ανακύκλωσης αερίων ρύπων

(EGR) για δίχρονους κινητήρες, το οποίο µπορεί να συντελέσει στη µείωση

των εκποµπών ΝOx από τα πλοία κατά 80%. Eνα µέρος των καυσαερίων

φιλτράρεται και ανακυκλοφορείται πίσω στον θάλαµο καύσης. Ο σχηµατισµός

ΝΟx µειώνεται αφού η θερµοχωρητικότητα των αρχικών συστατικών των

καυσαερίων είναι µεγαλύτερη από αυτή του αέρα. Η µείωση παροχής

οξυγόνου αποτρέπει επίσης το σχηµατισµό ΝΟx.

Ένα µειονέκτηµα της συγκεκριµένης τεχνολογίας είναι τα αιωρούµενα

35

σωµατίδια που προκύπτουν στο αέρα που ανακυκλοφορείται. Αυτό µπορεί να

προκαλέσει εναπόθεση σωµατιδίων στην µηχανή και αλλαγή της σύστασης

του λιπαντικού λαδιού. Λόγω της ύπαρξης αέριων θειούχων, µπορεί να

προκύψει διάβρωση εξαιτίας της δηµιουργίας οξειδίων του θείου. Συνολικά

δεν υπάρχει δυνατότητα αυτή την στιγµή να ανακυκλοφορεί πάνω από το 15-

20% των καυσαερίων της µηχανής (Alderton, Winchester, 2002).

Από το 2002 και µετά, η τεχνολογία EGR βελτιώθηκε σηµαντικά µε την

εισαγωγή δοχείων ψύξης όπου µειώνονται περαιτέρω οι εκποµπές NOx.

Ειδικότερα σε ότι αφορά τους νέους κανονισµούς του ΙΜΟ που θα τεθούν σε

ισχύ το 2016, υπάρχει µεγάλη αισιοδοξία πως η τεχνολογία EGR θα

αποτελέσει το έναυσµα για την ανάπτυξη και άλλων τεχνολογιών που

µπορούν να µειώσουν τις εκποµπές ΝOx.

2.3.4 Σύστηµα Ανάλτησης και Χρήσης Απολλυµένης Θερµότητας Μέσω

της Χρήσης Υπερσυµπιεστών

Μια δίχρονη ναυτική µηχανή έχει σε γενικές γραµµές καλό βαθµό

απόδοσης σε σχέση µε την κατανάλωση καύσιµου. Όµως µπορεί να επέλθει

βελτίωση, µέσω της εκµετάλλευσης της παραγόµενης θερµότητας των αερίων

ρύπων. Για να συµβεί αυτό, θα πρέπει να τοποθετηθεί επί πλοίου ειδικό

σύστηµα, το όποιο θα χρησιµοποιεί την παραγόµενη θερµότητα από την

µηχανή του πλοίου και θα την µετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια

(Φραγκόπουλος, 2005).

Όταν οι αέριοι ρύποι εκπέµπονται από την µηχανή του πλοίου, η

θερµοκρασία τους είναι υψηλή. Αν αποµονώσουµε αυτά τα αέρια που

περιέχουν µεγάλη θερµότητα, σε έναν λέβητα, τότε είναι δυνατή η παραγωγή

ατµού από αυτή την θερµότητα (Kiyoko, Shiraishi, Ono, 2012).

Τα συστήµατα ανάκτησης και χρήσης της παραγόµενης θερµότητας

(waste heat recovery systems – WHR) αποτελούνται από ένα λέβητα που

διοχετεύονται τα καυσαέρια ο οποίος µε την σειρά του τροφοδοτεί τον

παραγόµενο ατµό σε έναν ατµοστρόβιλο Εν συνεχεία, ο ατµοστρόβιλος είναι

συνδεδεµένος µε µια γεννήτρια από όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια που

χρησιµοποιείται για κατανάλωση στο πλοίο.

36

Λόγω της µεγάλης ισχύος των προωστήριων µηχανών, είναι σκόπιµο

να ανακτηθεί ένα µέρος των απωλειών και να χρησιµοποιηθούν σε άλλες

καταναλώσεις. Για να έχουµε µεγαλύτερη δυνατή παραγωγή ηλεκτρικής

ενέργειας υπάρχει η δυνατότητα χρήσης διπλού ή τριπλού συστήµατος

συµπίεσης του ατµού. Τέτοια συστήµατα αυξάνουν την παραγόµενη ηλεκτρική

ενέργεια κατά 11-12% αν υπάρχει ατµοστρόβιλος ή κατά 7% περίπου αν δεν

υπάρχει. Τα συστήµατα ανάκτησης της απολλυµένης θερµότητας

κατατάσσονται στον µηχανολογικό εξοπλισµό του πλοίου και επιφέρουν

µείωση των αέριων ρύπων ως εξής: µείωση CO2 κατά 7-14%, µείωση NOx

κατά 7-14% και τέλος µείωση SOx επίσης κατά 7-14% (Φραγκόπουλος,

2005).

2.4 Μειονεκτήµατα της Χρήσης Υπερσυµπιεστών Πλοίων σε ΜΕΚ

Τα µειονεκτήµατα της λειτουργίας των υπερσυµπιεστών σε ΜΕκ,

αναφέρονται σχετικά ως εξής (Φραγκόπουλος, 2005):

Το υψηλό κόστος επένδυσης. Αυτό γίνεται η προσπάθεια να µειωθεί

κατά το δυνατόν, αξιοποιώντας σε συνδυασµό την υπάρχουσα

τεχνολογία των ηπειρωτικών ηλεκτρικών δικτύων (Commercial Off The

Shelf – COTS), ωστόσο το υψηλό κόστος των κινητήρων και των

διατάξεων ελέγχου τους δεν δείχνει να υπερκερνάται εύκολα.

Υψηλότερες απώλειες στο σύστηµα µετάδοσης της κίνησης, σε

σύγκριση µε το µηχανικό σύστηµα. Π.χ., σε ένα συµβατικό σύστηµα

κινητήρα Diesel – έλικας ρυθµιζοµένου βήµατος, οι απώλειες του

συστήµατος µετάδοσης είναι περίπου 4 %: 2 % στην έλικα και 2 %

στον µειωτήρα, όταν η έλικα λειτουργεί στον βέλτιστο συνδυασµό

ταχύτητας/βήµατος. Σε εγκατάσταση ντιζελοηλεκτρικής πρόωσης, το

σύστηµα µετάδοσης προκαλεί απώλειες 7 – 8 %: 3 % στις γεννήτριες, 2

% στους µετασχηµατιστές και µετατροπείς συχνότητας και 2 – 3 %

στους προωστήριους ηλεκτροκινητήρες. Εποµένως, ο ολικός βαθµός

απόδοσης είναι υψηλότερος στο σύστηµα ηλεκτρικής πρόωσης µόνον

όταν κάθε µηχανή λειτουργεί σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής και επί

µεγάλα χρονικά διαστήµατα στη βέλτιστη περιοχή.

37

Ένα πρόβληµα που προκύπτει από την εκτεταµένη λειτουργία των

υπερσυµπιεστών είναι ότι εµφανίζονται προβλήµατα ποιότητας

ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς πέραν των χρήσιµων συχνοτήτων

αναπτύσσεται και µεγάλο πλήθος αρµονικών συνιστωσών ρεύµατος

και τάσης. Οι αρµονικές αυτές αφενός προσαυξάνουν τη συνολική

κυκλοφορούσα άεργο ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο αλλά επιπλέον

δηµιουργούν προβλήµατα ηλεκτροµαγνητικής συµβατότητας. Έτσι ο

«ηλεκτροµαγνητικός θόρυβος» που παράγεται επηρεάζει αρνητικά όλες

τις ευαίσθητες ηλεκτρονικές διατάξεις, πρωτίστως τα κυκλώµατα

ελέγχου των ίδιων των ηλεκτρονικών ισχύος, ενώ σε περιπτώσεις

στρατιωτικών εφαρµογών αυξάνει τα επίπεδα της ηλεκτροµαγνητικής

υπογραφής των πλοίων. Τέλος, είναι δυνατόν οι αρµονικές

παραµορφώσεις των ηλεκτρικών µεγεθών να διεγείρουν ιδιοσυχνότητες

ηλεκτροµηχανικών ταλαντώσεων, όπως είναι τα φαινόµενα

σιδηροσυντονισµού στους δροµείς των σύγχρονων γεννητριών

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η σειρά αυτή των προβληµάτων

λόγω της εξηλέκτρισης των συστηµάτων του πλοίου αντιµετωπίζεται µε

εξειδικευµένες αναλύσεις και µελέτες κυρίως κατά της φάση της

σχεδίασης τους ηλεκτρολογικού συστήµατος.

Υψηλό κόστος επένδυσης αφού το κόστος των κινητήρων και των

υπερσυµπιεστών τους δεν δείχνει να υπερκερνάται εύκολα, παρόλο

που ένας µεγάλος αριθµός επιστηµόνων στην ερευνητική κοινότητα

ασχολούνται µε τη δυνατότητα µείωσης του.

Υψηλότερες απώλειες στο σύστηµα µετάδοσης της κίνησης, σε

σύγκριση µε το µηχανικό σύστηµα. Ο ολικός βαθµός απόδοσης είναι

υψηλότερος στο σύστηµα υπερσυµπιεστών µόνον όταν κάθε µηχανή

λειτουργεί σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής και επί µεγάλα χρονικά

διαστήµατα στη βέλτιστη περιοχή.

Προβλήµατα ποιότητας υπερσυµπιεστών λόγω της χρησιµοποίησης

των διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος, αφού πέραν των χρήσιµων

συχνοτήτων αναπτύσσεται και µεγάλο πλήθος αρµονικών συνιστωσών

ρεύµατος και τάσεως. Έτσι ο ’’ηλεκτροµαγνητικός θόρυβος’’ που

38

παράγεται επηρεάζει αρνητικά όλες τις ευαίσθητες ηλεκτρονικές

διατάξεις –πρωτίστως τα κυκλώµατα ελέγχου των ίδιων των

ηλεκτρονικών ισχύος. Τέλος, είναι δυνατόν οι αρµονικές

παραµορφώσεις των ηλεκτρικών µεγεθών να διεγείρουν

ιδιοσυχνότητες, όπως είναι τα φαινόµενα σιδηροσυντονισµού στους

δροµείς των σύγχρονων γεννητριών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

2.5 Πλεονεκτήµατα της Χρήσης Υπερσυµπιεστών

Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα της χρήσης υπερσυµπιεστών σε πλοία,

είναι τα ακόλουθα:

• Περιορισµός των εκπεµπόµενων ρύπων. Αφενός η κατανάλωση

καυσίµου είναι µικρότερη, αφ’ ετέρου οι εκποµπές ΝΟx (ιδιαίτερα) είναι

αισθητά χαµηλότερες όταν λόγου χάρη ένας µεσόστροφος κινητήρας

Diesel λειτουργεί µε σταθερές στροφές πράγµα που συµβαίνει στα νέα

συστήµατα ηλεκτρικής πρόωσης.

• Περιορισµός του κινδύνου ρύπανσης του περιβάλλοντος από

ατυχήµατα όπως αυτά των δεξαµενοπλοίων, χάρη στην ταχύτερη

απόκριση του συστήµατος κατά τους χειρισµούς και τη δυναµική

τοποθέτηση του σκάφους.

• Συνεχής µεταβολή της ταχύτητας περιστροφής της έλικας

• Συνεχής µεταβολή της ταχύτητας και της ταχύτητας του πλοίου σε όλο

το πεδίο 0- 100 %.

• Γρήγορη απόκριση κατά τη διάρκεια των χειρισµών

• Χαµηλή στάθµη θορύβου και κραδασµών.

• Οικονοµία καυσίµου αφού η κάθε µια µηχανή µπορεί να λειτουργεί

κοντά στο βέλτιστο σηµείο αν γίνει σωστή επιλογή.

• Εξοικονόµηση ωφέλιµου χώρου, άρα ευελιξία στον σχεδιασµό του

σκάφους αφού υπάρχει ελευθερία στην τοποθέτηση των επιµέρους

µηχανηµάτων του ενεργειακού συστήµατος, που προσφέρει ευελιξία

στον σχεδιασµό του σκάφους και εξοικονόµηση ωφέλιµου χώρου.

• Πλήρης εκµετάλλευση της στρεπτικής ροπής σε όλο το πεδίο

λειτουργίας.

39

• Ευκολία αυτοµατισµού.

• Αυξηµένη αξιοπιστία (πολλά συστήµατα συνδεδεµένα παράλληλα) και,

εποµένως, αυξηµένη ασφάλεια.

2.6 Λειτουργία Υπερσυµπιεστών σε Πλοία και Μονάδα Azipod

Η κατοχυρωµένη ευρεσιτεχνία του συστήµατος πρόωσης της ΑΒΒ είναι

µία αρθρωτή µονάδα η οποία είναι προσαρµοσµένη εξωτερικά του πλοίου και

έχει δυνατότητα περιστροφής πάνω από 360°. Προσφέρει δε µεγάλη

δυνατότητα ελιγµών και σηµαντική µείωση της κατανάλωσης καυσίµου σε

συνδυασµό µε τη λειτουργία των υπερσυµπιεστών, θορύβου, δονήσεων και

εσωτερικών χώρων σε περίπτωση που χρειάζονται να τοποθετηθούν

συµβατικά συστήµατα οδήγησης. Πρόκειται για ένα pod προώσεως, που η

ΑΒΒ πρότεινε, ένα σύστηµα στο οποίο µια πηδαλιουχούµενη Azipod µονάδα

τοποθετείται αµέσως πίσω από τον κύριο έλικα (Kiyoko, Shiraishi, Ono,

2012).

Τοποθετηµένο στον ίδιο άξονα, αλλά χωρίς καµία φυσική σύνδεση, το

σύστηµα pod περιστρέφεται ανάποδα σε σχέση µε την κύρια έλικα. Αυτό έχει

ως αποτέλεσµα ρύθµιση σε βελτίωση κατά 10% περίπου στην υδροδυναµική

απόδοσης της πρόωσης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τελικά µε τη

χρήση του Azipod η έλικα µπορεί να έχει ευέλικτη προσαρµογή. Η κύρια

έλικα έχει 60 - 70% του φορτίου και η έλικα Azipod το 40 - 30% φορτίο (ABB

Marine, 2000).

Η διάµετρος της έλικας του Azipod είναι µικρότερη από αυτή της κύριας

έλικας για να αποτρέψει µια πιθανή δίνη από σπηλαίωση. Ο αριθµός των

λεπίδων της έλικας είναι διαφορετικός από αυτόν της κύριας έλικας, η

ταχύτητα της έλικας Azipod είναι µεγαλύτερη από αυτή της κύριας έλικας, η

γωνία περιστροφής της έλικας Azipod είναι 100 βαθµοί (µια άλλη επιλογή είναι

ελεύθερη περιστροφή 360°).

Ο πρώτος υπερπληρωτής ΑΒΒ µπήκε σε παραγωγή το 1923.

Αποτέλεσµα της συνεχούς έρευνας και ανάπτυξης είναι οι καινούργιοι τύποι

υπερπληρωτών οι οποίοι υπερέχουν σε τοµείς όπως ο εντυπωσιακά

40

αυξηµένος βαθµός απόδοσης και η µεγάλη δυνατότητα εφαρµογών τους µε

ταυτόχρονη µείωση των ανταλλακτικών από τα οποία αποτελούνται. Για τον

χρήστη αυτό µεταφράζεται σε µεγαλύτερη διάρκεια ζωής, απλούστερη και

σπανιότερη συντήρηση δηλαδή µείωση των λειτουργικών εξόδων. Στα

πλεονεκτήµατα συµπεριλαµβάνονται (ABB Marine, 2000):

Υψηλή απόδοση στη πρόοση που προσφέρει µεγαλύτερη οικονοµία

καυσίµου.

Το ναυπηγικό κόστος είναι λογικό, καθώς απαιτείται λιγότερη

εγκατεστηµένη ισχύς.

Καλύτερο χρόνο ελλιµενισµού (είσοδο – έξοδο από το λιµάνι), καθώς οι

ελιγµοί είναι ευκολότεροι και απαιτείται λιγότερη βοήθεια ρυµουλκού.

Αύξηση της ικανότητας µεταφοράς εµπορευµατοκιβωτίων (τόσο σε

χώρο όσο και σε βάρος).

41

Επίλογος – Συµπεράσµατα

Βασικός σκοπός της εν λόγω πτυχιακής εργασίας, αναφέρεται σχετικά

η συλλογή, παρουσίαση και ανάλυση στοιχείων που οριοθετούνται στο

πλαίσιο της συγκριτικής µελέης υπερσυµπιεστών (Compresor Turbo) για την

αύξηση της απόδοσης µιας ΜΕΚ σε Πλοία.

Γενικά Μηχανή ή µηχάνηµα ονοµάζεται οποιοδήποτε εργαλείο ή µέσον

που µπορεί να διευκολύνει την ανθρώπινη εργασία ή που µπορεί να αυξήσει

τη δύναµή της. Επίσης οποιαδήποτε συσκευή που χρησιµοποιείται για τη

παραγωγή έργου, είτε µεταδίδοντας είτε µετατρέποντας άλλη µορφή ενέργειας

(δύναµης) σε παραγωγή έργου. Ακόµη µπορεί να εννοείται και κάθε ευφυής

επινόηση (Woodyard, 1995).

Μια µηχανή εσωτερικής καύσης ή κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι

ένας κινητήρας στον οποίο η καύση του καυσίµου γίνεται σε ένα θάλαµο

καύσης που βρίσκεται ολόκληρος µέσα στο κινητήρα. Με τον όρο µηχανές

εσωτερικής καύσης συνήθως εννοούνται κυρίως οι παλινδροµικές–

εµβολοφόρες µηχανές και οι κινητήρες Βάνκελ (Wankel). Μια δεύτερη

κατηγορία των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι οι κινητήρες τζετ, κάποιοι

πύραυλοι και ορισµένες τουρµπίνες ώσης και ισχύος που κάνουν χρήση

συνεχούς καύσης (Φραγκόπουλος, 2005).

Ο υβριδικός υπερσυµπιεστής χωρίς την ηλεκτροβοήθεια είναι µια άλλη

εφαρµογή η οποία µπορεί να εφαρµοστεί στην κύρια µηχανή ενός πλοίου

προκειµένου αυτό να ταξιδεύει µε χαµηλή ταχύτητα πλεύσης. Σύµφωνα µε τον

Οno, et.al, (2013) o υπερσυµπιεστής είναι εξοπλισµένος µε µια γεννήτρια η

οποία χρησιµοποιεί την ενέργεια των καυσαερίων κατά τη θύρα εισόδου του

υπερσυµπιεστή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όπως ακριβώς κάνει

και µια συµβατική τουρµπίνα.

Η διαδικασία του slow steaming, έχει επιπτώσεις στην κύρια µηχανή

του πλοίου και φυσικά στην λειτουργία των υπερσυµπιεστών. Εκτός από τις

θετικές επιπτώσεις του slow steaming στην κατανάλωση καυσίµου αλλά και

42

στην µείωση των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου υπάρχουν και κάποιες

πτυχές, που αφορούν την κύρια µηχανή του πλοίου που θα πρέπει να

προσεχτούν ιδιαίτερα στην λειτουργία των υπερσυµπιεστών (Kiyoko,

Shiraishi, Ono, 2012).

Τέλος, προκείµενου να υπάρχει εξοικονόµηση ενέργειας στα πλοία,

έχουν αναπτυχτεί µια σειρά από νέες πράσινες τεχνολογίες όπως η λειτουργία

των υπερσυµπιεστών. Οι πιο βασικές από αυτές είναι: η βελτιστοποίηση της

µορφής της γάστρας του πλοίου, µείωση των εκποµπών αερίων µέσω της

ανακυκλοφορίας αέριων ρύπων (EGR systems), µείωση της τριβής, µείωση

της ταχύτητας του πλοίου.

43

Βιβλιογραφία

Αγγλική Βιβλιογραφία

ABB Marine, 2000, Azimuthing Electric Propulsion Drive

Bose B.K., 1997, Power Electronics and Variable Frequency Drives:

Technology and Applications, IEEE Press, New York

Harrington R. L., 1992, ed., Marine Engineering, The Society οf Naval

Architects and Marine Engineers, Jersey City, N.J.

Sallabank P. H., Whitehead A. J., 1996, “The practical application of

modern simulation tools throughout the design and trials of a diesel

electric propulsion system, Trans ImarE, Vol. 107, Part 2

Woodyard D., 1995, Electric Propulsion Charges Ahead in Marine

Propulsion, April

Yacamini R., Smith K. S., 1996, Noise generation in marine motors,

Trans ImarE, Vol. 107, Part 4

Alderton, T. and Winchester, N., 2002, Globalization and Deregulation

in the Maritime Industry, Marine Policy 26 (1)

Kiyoko S, Shiraishi K, Ono Y, 2012, Development of Large Marine

Hybrid Turbocharger for Generating Electric Power with Exhaust Gas

from the Main Engine, Mitsubishi Industry

Ελληνική Βιβλιογραφία

Mαλατέστας Π, Μανιάς Σ., 1995, Συστήµατα Οδήγησης Ηλεκτρικών

Κινητήρων, Εκδόσεις Συµεών, Αθήνα

Μπατιστάτος Ν. 1999, Ανάλυση Συστηµάτων ∆ηζελοηλεκτρικής

Πρόωσης Πλοίων, ∆ιπλωµατική Μεταπτυχιακή Εργασία ∆ΠΜΣ

Παραγωγή και ∆ιαχείριση Ενέργειας, Αθήνα, Οκτώβριος

Φραγκόπουλος Χ., 2005, Ενεργειακά Συστήµατα Πλοίου – Τόµος Α’:

Ηλεκτρολογικό µέρος, ∆ιδακτικές σηµειώσεις για φοιτητές της Σχολής

Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ

44

Χατζηλάου Ι.Κ, Γύπαρης I.Κ., 2001, Ηλεκτροπρόωση Μηχανών

Πολεµικών Πλοίων’, Μονογραφία ΣΝ∆, Πειραιάς, Μάρτιος